DE2242665A1

DE2242665A1 - Verfahren und vorrichtung zur verringerung des luftverschmutzenden anteils der abgase einer brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE2242665A1
Application number: DE2242665A
Authority: DE
Inventors: Charles R Sarle; Jun William E Woollenweber
Original assignee: Wallace Murray Corp
Current assignee: Wallace Murray Corp
Priority date: 1971-08-31
Filing date: 1972-08-30
Publication date: 1973-03-08
Also published as: IT964381B; AU4611872A; JPS4833229A; ZA725616B; BR7206007D0; SE386233B; GB1404009A; FR2152025A5

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. A. Grüneckef

Dr.-Ing. H. Kin.keldey 2 2 A 2 6 6 5

Dr.-!ng. W. Stockmair 8 München 22, Maximilianstr. 43

ph 5018 " ■ 30. Aug. 1972

WALLACE-MURRAY CORPORATION

299 Park Avenue
New York, Few York

Verfahren und Vorrichtung zur Verringerung des luftverschmutzenden Anteils der Abgase einer Brennkraftmaschine

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung des luftverschmutzenden Anteils des Abgases einer Brennkraftmaschine.

Weiterhin -bezieht, sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Verringerung des luftverschmutzenden Anteils im Abgas einer Brennkraftmaschine über im wesentlichen den gesamten Drehzahl- und Lastbereich ohne ungünstige Beeinflussung der Ausgangsleistung. ■

Die Zündverbrennungs-Brennkraftmaschinen, die in modernen Automobilen verwendet werden, sind offensichtlich verantwortlich für einen großen Teil der Schmutzstoffe, die in die Erdatmosphäre abgegeben werden, zumindest in dicht besiedelten G-ebieten» Verschiedene Einrichtungen sind vorgeschlagen worden, um diesen Schmutzstoffanteil auszuschließen oder zu verringern« Dies ging

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bis zu dem Vorschlag, die übliche, relativ hoch entwickelte Benzinkraftmaschine zu verbieten oder durch vollständig neue oder verschiedene Typen von Maschinen zu ersetzen. Übliche Automobil-Brennkraftmaschinen werden in Mengen von etwa 10 Millionen oder mehr pro Jahr allein in den USA hergestellt und stellen eine sehr große Investition bei den Automobil- und Lastwagenherstellern in den USA und anderen hochindustrialisierten Ländern der Welt, wie in Deutschland und Japan, dar.

Neben den Investitionen für die Hauptanlage zur Herstellung der Maschinen sind es die Zusatzindustrien, wie diejenigen, die Benzin, Öl oder Anlagen für Unterhaltung und Reparatur anbieten, die eine sehr große Investition darstellen und die drastisch geändert oder beseitigt v/erden müßten, wenn vollständig neue Maschinentypen anstelle der heutigen Brennkraftmaschinen verwendet wurden. Eine Finanzierung eines solchen Vorhabens würde viele Milliarden Dollar erfordern, die voraussichtlich zusätzlich curch den Steuerzahler subventioniert werden müßten, so daß die Steuerbelastung für alle Steuerzahler wesentlich erhöht würde. Es liegt auf der Hand, daß eine wesentlich realistischere und angenehmere Lösung darin liegen würde, die vorhandenen Maschinen frei von schädlichen Abgasen zu machen und damit ihre Verwendung in Automobilen und anderen Fahrzeugen in die Zukunft zu erstrecken.

Eine wesentliche Beschränkung des Abgases von Brennkraftmaschinen ergibt sich durch Absenkung der durchschnittlichen Konzentration von unverbrannten Kohlenwasserstoffen in den Gasen, die die Zylinder der Maschine verlassen. Dieser Effekt wird zumindest teilweise aufgrund eines Anstauens der Gase mit Hilfe eines höheren Maschinengegendrucks erreicht. Die nicht-umgesetzten Fraktionen der Kohlenwasserstoffe (Schmutzstoffe) sind im allgemeinen die höheren, da es an einem ausreichenden Ausmaß an Sauerstoff, Temperatur und Zeit für die Reduktionsreaktion fehlt. Durch Ausübung eines Gegendruckes auf die Zylinder kann die Reaktion erhöht werden. Durch diese Abgasbeschränkung der Maschine, das heißt durch die Erhöhung des Abgasgegendruckes wird zugleich die Leistungsabgabe der Maschine gesenkt. Weiterhin redu-

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ziert ein unterstöchiometrisches (ärmeres) Brennstoff-Gasgemisch, das den Maschinenzylindern zugeführt wird, den Ausstoß von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmorii-xyd erheblich. Die Kombination von Abgaswärme (hohe Abgastemperatür) und magerem Brennstoffluftgemisch schafft eine wesentliche Rsduzierung der Schmutzstoffe in dem Maschinenabgas. Jedoch erfordern die Leistungsan-· forderungen aller Wagen - ausgenommen kleine, kompakte Personenwagen - großvolumige Vergaser (große Venturi-Düsen). Bei diesen rufen übermäßig magere Gemische Schwierigkeiten beim Anlassen der Maschine hervor, obwohl die großvplumigen Vergaser ein ausreichendes Brennstoff-Luftgemisch zur Erfüllung der Leistungsanforderungen an die Maschine liefern.

Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs genannten Art ist gekennzeichnet durch eine Erhöhung des Abgasdruckes und der Abgastemperatur über den Druck und die Temperatur hinaus, die bei einem unbehinderten Gasaustritt vorliegen und zugleich durch ein Beschicken des Einlasses der Maschine mit Zusatzluft, deren Druck erheblich über demjenigen der bei normaler Ansaugung aufgenommenen Luft liegt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist gekennzeichnet durch einen Vergaser für die Maschine mit einer relativ kleinen Venturi-Plache, Einrichtungen zum Beschicken des Vergasers mit Luft mit einem Druck über dem Atmosphärendruck und Einrichtungen zwisehen den Auslässen der Maschine und der Beschickungseinrichtung zum Erhöhen des Druckes und der Temperatur des Abgases, das aus den Auslässen austritt, und zur vollständigen Verbrennung der Abgase.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung umfaßt einen abgasgetriebenen Turbolader und einen Vergaser mit relativ kleiner Venturi-Düsengröße bei einer benzingetriebenen Brennkraftmaschine. Der Vergasereinlaß ist direkt mit dem Auslaß der Kompressorseite des Turboladers verbunden und wird durch diesen unter Druck gesetzt. Daraus ergibt sich, daß der Austritt von Schmutzstoffen in dem Abgas über den gesamten Drehzahl- und Lastbereich der Maschine verringert wird, ohne daß die verfügbare Maschinenleistung beeinträchtigt wird, die für einen zufriedenstellenden Hochlastbetrieb b'ei offener Drösseiklappe erforderlich ist, wie im

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folgenden beschrieben werden soll. Ein Thermoreaktor, der zwischen den Maechinenauelässen und dem Einlaß des Turbolader- Kompressors angeordnet ist, kann als zusätzliches Element der Anordnung verwendet werden·

Veitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung,

Pig· 1 ist eine etwas schematisierte Seitenansicht, die eine benzingetriebene Brennkraftmaschine mit einem Turbolader und einem Vergaser zeigt, die entsprechend der Erfindung mit der Maschine verbunden sind;

Fig. 2 zeigt eine teilweise Schnittdarstellung und veranschaulicht schematisch das Innere des Vergasers mit einer relativ kleinen Venturi-Fläche;

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Ergebnisse eines Tests zum Vergleich des erfindungsgemäßen Systems mit einem Motor ohne die Einrichtungen der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht ähnlich Fig. 1, zeigt jedoch schemätisch den Thermoreaktor als Teil der Erfindung;

Fig. 5 ist eine weitere Darstellung zur Erläuterung der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 10 eine herkömmliche, benzingespeiste Brennkraftmaschine mit einer Auslaßleitung 11 und einer Einlaßleitung 12 dargestellt. An der Einlaßleitung der Maschine ist der Vergaser 13 angebracht, der dazu dient, das dem Vergaser zugeführte Benzin für einen Durchgang durch die Einlaßleitung und die Einlaßventile der Maschine in die Maschinenzylinder zu zerstäuben» Der Vergaser 13 ist mit einem Luftfilter 14 versehen, und der Einlaß des Vergasers wird mit Luft versorgt, die durch die Leitung 16 zugeführt wird, die mit der Ausgangsseite des Kompressors 17 verbunden ist, der ein Teil des abgasgetriebenen Turboladers ist, der allgemein mit 18 bezeichnet ist. In herkömmlicher Weise weist der Kompressor 17 einen Einlaß 19 auf und wird durch eine Turbine 21 angetrieben, deren Einlaß un-

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mittelbar mit der Maschinen-Abgasleitung 11 verbunden ist, wie unter der Bezugsziffer 22 erkennbar wird. Nachdem sich die Abgase durch die Turbine 21 (Turbinenrad) entspannt haben, werden sie durch die Abgasleitungen 23 zu einem nicht gezeigten Auspufftopf geleitet, durch den sie unter Umständen in die Atmosphäre abgegeben werden. Die Maschine 1 in Pig. 1 mit dem Turbolader, der an die Abgasleitung angeschlossen ist, und dem Vergaser, der an die Maschine angeschlossen ist, ist nur schematisch dargestellt und zeigt lediglich die allgemeine Anordnung gemäß der Erfindung.

Der Vergaser 13» der im Zusammenhang mit der Maschine verwendet wird, hat ein wesentlich kleineres Volumen oder eine kleinere Gesamt-Venturi-Fläche im Vergleich zu der Vergaser-Venturi-Flächengröße, die im Normalfalle im Zusammenhang mit der Maschine 10 verwendet werden müßte. Wie in Pig. 2 gezeigt ist, umfaßt der Vergaser einen Schwimmer und eine Schwimmerkammer 26, eine Hauptbrennstoff düse 27 und einen Lufteinlaß 28. Ein Choke (Luftklappe) 29 und ein Drosselventil (Drosselklappe) 31 sind ebenfalls dargestellt. Der Hauptventuri-Durchlaß ist mit 32 und ein zweiter Venturi-Durchlaß ist mit 33 und 34- bezeichnet. Es versteht sich, daß sich die Bezeichnung Venturi auf die gesamte Querschnittsfläche der Engstellen bezieht, die die gesamte Durchgangsströmung der Luft und des Brennstoffgemisches bestimmen. Bei dem in der vorliegenden.Ausführungsform verwendeten Vergaser ist diese Fläche wesentlich-kleiner als bei üblicherweise im Zusammenhang mit entsprechenden Maschinen verwendeten Vergasern»

Wie Fig. 3 zeigt, haben Tests ergeben, daß durch Verwendung eines abgasgetriebenen Turboladers bei einer benzingespeisten Maschine und durch Druckbeaufschlagung des Maschinenvergasers, wie in Fig. 1 gezeigt ist, eine Reduzierung der Venturi-Fläche des Vergasers in der Größenordung von 60$ erreicht werden kann. Die Kurve A entspricht der abgegebenen Leistung, bezogen auf die Drehzahl, bei einer herkömmlichen Benzin-Brennkraftmaschine von ca. 5,7 1 Hubraum (350 cubic inch) mit einem Doppelvergaser mit

ο einer relativ kleinen Venturi-Fläche von 12,2 cm (1,89 square inch). Die Kurve B veranschaulicht die Beziehung für· dieselbe Maschine, jedoch für einen wesentlich größeren Vierfachvergaser

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— O —
ρ

mit 32,3 cm (5,0 square inch) Venturi-Fläche. Die Kurve C veranschaulicht die Beziehung für dieselbe Maschine, wobei der Vergaser ein herkömmlicher Vergaser für die Maschine, das heißt ein Zweifachvergaser mit 16 cm (2,5 square inch) Venturi-Fläche ist. Die Kurve D zeigt die Beziehung für dieselbe Maschine mit

ρ dem kleinen Zweifachvergaser von 12,2 cm (1,89 square inch) Venturi-Fläche, jedoch kombiniert mit einem Turbolader, der den Vergaser unter Druck setzt. Aus einem Vergleich der Kurven A, B und C geht ohne weiteres hervor, daß die Verwendung von Vergasern mit zunehmend größeren Venturi-Flächen für die Maschine erwartungsgemäß zu einer erhöhten Leistung über den gesamten Maschinendrehzahlbereich von 1000 bis 3500 UPM ergibt. Diese zusätzliche Leistung kostet natürlich zusätzlichen Benzinverbrauch. Die Kurve D zeigt den Betrieb derselben Maschine mit dem kleinen Vergaser der Kurve A, jedoch unter Verwendung eines abgasgetriebenen Turboladers, der den kleinen Doppelvergaser unter Druck setzt. Es ist offensichtlich, daß die Verbindung des Vergasers mit der kleinen Venturi-Fläche und des Turboladers eine höhere Ausgangsleistung der Maschine bei allen Maschinendrehzahlen unterhalb 3500 U/min ergibt, und daß die Leistungsabgabe bei höherer Drehzahl mit der Leistung der Maschine bei Verwendung des größeren Vierfachvergasers der Kurve B übereinstimmt und über der Leistung des üblichen Doppelvergasers der Kurve 0 liegt. Wenn die turbogeladene Maschine bei mittlerer Drosselung und bei niedriger Belastung arbeitet (diese Bedingungen treten im Stadtverkehr auf), ergibt der Vergaser mit kleiner Venturi-Fläche eine verbesserte Steuerung des Luft-Brennstoff-Verhältnisses des Gemisches, und die Verteilung des Gemisches bei niedriger Leistung und Drehzahl wird wegen der Druckbeaufschlagung des Vergasers durch den Turbolader verbessert. Ein im Vergleich magereres Luft-Brennstoff-Verhältnis kann aufrecht erhalten werden, ohne daß die Leistung über einen relativ weiten Bereich der Maschine beeinträchtigt wird. Wie zuvor erwähnt wurde, führt eine Verwendung eines magereren Brennstoff-Luftgemisches zu einer vollständigeren Verbrennung des Brennstoffes und folglich zu einem geringeren.Abgasausstoß.

Durch die.Druokbeaufschlagung des Vergasers mit Hilfe des Turboladers werden selbst bei niedrigen Masohinendrehzahlen die Nach-

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teile der Verwendung von Vergasern mit kleinen Venturi-Flächen vermieden, und es wird ermöglicht, daß die Maschine über nahezu ihren gesamten Drehzahlbereich eine leistung entwickelt, die diejenige bei Verwendung eines Vergasers mit relativ großem Venturi-Querschnitt im Zusammenhang mit der Maschine erreicht oder übertrifft. Die Stauwirkung aufgrund der Turbine des Turboladers in dem Abgasdurchlaß der Maschine führt weiterhin dazu, daß der Gegendruck in.dem Maschinenabgas erhöht wird. Dieser erhöhte Gegendruck bewirkt, daß die Konzentration der unverbrannten Kohlenwasserstoffe in dem Abgas verringert wird. Der Stau in dem Abgasdurchlaß aufgrund des Turboladers dient weiter dazu, die Temperatur des Abgases in der Abgasleitung vor ihrem Eintritt und ihrer Expansion in die Turbine des Turboladers anzuheben. Diese höhere Abgastemperatur in der Abgasleitung bewirkt eine vollständigere Verbrennung oder Oxydation dieser Gase und gestattet insbesondere die Verbindung des Turboladers und des Vergasers mit kleinem Venturi-Querschnitt zu einem Maschinensystem, in dem eine thermische Reaktionskammer in dem Maschinenabgasdurchlaß vorgesehen ist. Das Vorhandensein des Turboladers der Anordnung schafft zugleich einen Ausgleich für den Luftdichteverlust bei einem Betrieb in größeren Höhen und sorgt dafür, daß nur ein geringer Schmutzstoffanteil durch die Maschine abgegeben wird, wenn diese in gebirgigen oder anderen hochgelegenen Gebieten betrieben wird. Die kombinierte Verwendung des Turboladers und eines Vergasers mit relativ kleinem Venturi-Querschnitt für eine Maschine gestattet ein niedrigeres Kompressionsverhältnis der Maschine bei Aufrechterhaltung "der gewünschten Maschinenleistung. Die Kombination aus Turbolader und Vergaser mit kleinem Venturi-Querschnitt ermöglicht es außerdem, kleinere Maschinen bei vorgegebenen Leistungsanforderungen zu verwenden. Diese kleineren Maschinen passen sich gut an der innerstädtischen Verkehr an, in dem das Luftverschmutzungsproblem am wichtigsten ist.

In Pig. 4 ist ein herkömmlicher Thermoreaktor 41 gezeigt, der zwischen den Auslässen im Zylinderkopf der Maschine und dem Einlaß der Turbolader-Turbine vorgesehen ist. Ein Thermoreaktor dieser Art ist in der US-PS 3 247 666 beschrieben. Der Reaktor ist vorzugsweise dicht mit den Auslässen im Zylinderkopf der Maschine

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verbunden, und der Einlaß der Turbine des Turboladers steht in enger Verbindung mit dem Auslaß des Reaktors. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, umfaßt der Reaktor im wesentlichen eine innere Kammer 42, die die Abgase der Auslässe im Zylinderkopf aufnimmt, wobei die Gase eine gekrümmte Bahn durch die Kammerauslässe 43, durch den Durchlaß zwischen dem Schild 44 und der inneren Viand, durch den Durchlaß zwischen dem Schild 44 und der isolierten Außenwand 46 und heraus durch den Auslaß 47 gezwungen werden. Von dem Auslaß 47 werden die Gase in den Einlaß der Turbine 21 des Turboladers geleitet. Der Thermoreaktor bildet eine Kammer, wo die noch brennenden Maschinenabgase, die unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe enthalten, nach dem Verlassen der Auslässe verbleiben können, so daß eine vollständigere Verbrennung der Abgase erfolgt. Die Vergrößerung des Gegendruckes der Maschine aufgrund der Turbine des Turboladers trägt zur Unterstützung der vollständigeren Verbrennung und Oxydation des Abgases in dein Thermoreaktor bei, das heißt, in dem Thermoreaktor erfolgt eine Nachbrennreaktion.

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Claims

Patentansprüche

ΐΛVerfahren zum Verringern des luftverschmutzenden Anteils des- ^-^ Abgases einer Brennkraftmaschine, g e ke η η ζ e i c h η e t durch eine Erhöhung des Abgasdruckes und der Abgastemperatur über den Druck und die Temperatur hinaus, die bei einem unbehinderten Gasaustritt vorliegen, und zugleich durch ein Beschicken des Einlasses der Maschine mit Zusatzluft, deren Druck erheblich über demjenigen der bei normaler Ansaugung aufgenommenen Luft liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurchgeke. nnzeichnet, daß die Stauung des Abgases und die Beschickung so aufeinander abgestimmt werden, daß die Beschickung bei niedrigeren Drehzahlen eine größere Wirkung aufweist und zu einem magereren Brennstoff-Luftgemisch führt, während die Stauung eine größere Wirkung bei höheren Drehzahlen aufweist und einen höheren Gegendruck in den Maschinenzylindern und eine höhere Temperatur liefert.
3. Verfahren nach Anspruch Λ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine einen Vergaser und einen abgasgetriebenen Turbolader mit. einem Luftkompressor umfaßt, und daß die Fläche der Venturi-Engstelle in dem Vergaser auf einen Wert wesentlich unterhalb des für die maximale Leistungs'abgabe der Maschine im normalen Drehzahl- und Lastbereich verringert ist, und daß die komprimierte Luft des Kompressors des Turboladers in den Lufteinlaß des Vergasers geleitet wird, wodurch ein positiver Druck in dem Vergasereinlaß erzeugt wird, der bei niedrigen Maschinendrehzahlen den geringeren Gasdurchsatz aufgrund der relativ kleinen Venturi-Fläche des Vergasers ausgleicht, und bei höherer Maschinendrehzahl die Maschine übergeladen wird und so der Leistungsverlust aufgrund der Stauung in dem Maschinen-' abgasdurchlaß aufgrund der Turbine des Turboladers ausgeglichen wird.'

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4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase der Maschine durch einen Thermoreaktor geleitet werden, bevor sie in den abgasgetriebenen Turbolader gelangen.
5· Vorrichtung zur Verringerung des luftverschmutzenden Anteils im Abgas einer Brennkraftmaschine über im wesentlichen den gesamten Drehzahl- und Lastbereich ohne ungünstige Beeinflussung der Ausgangsleistung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Vergaser (13) für die Maschine (10) mit einer relativ kleinen Venturi-Fläche, Einrichtungen (18, 17) zum Beschicken des Vergasers mit Luft mit einem Druck über dem Atmosphärendruck und Einrichtungen (41) zwischen den Auslässen der Maschine und der Beschickungseinrichtung (18) zum Erhöhen des Druckes und der Temperatur des Abgases, das aus den Auslässen austritt, und zur vollständigen Verbrennung der Abgase.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dad urch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Laden einen Turbolader (18) umfassen, der eine Turbine (21), die durch die Abgase der Maschine getrieben wird, und einen Kompressor (17) umfaßt, wobei die Ausgangsseite des Kompressors direkt mit dem Lufteinlaß des Vergasers in Verbindung steht, so daß ein positiver Druck in dem Vergaser-Lufteinlaß erzeugt wird, der bei niedrigen Motordrehzahlen den verringerten Luftdurchsatz aufgrund der verringerten Venturi-Pläche des Vergasers ausgleicht und bei höheren Motordrehzahlen die Maschine überlädt, so daß der Maschinenleistungsverlust aufgrund der Stauung im Maschinenabgasdurchgang aufgrund der Turbine des Turboladers ausgeglichen wird.
7· Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Thermoreaktor (21) zwischen den Ausgangsleitungen des Zylinderkopfes und dem Einlaß der Turbine (21) des Turboladers (18).

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8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch g e k e η η ~ zeichnet, daß der Einlaß der Turbine (21) eng mit dem Auslaß des Thermoreaktors (41) verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Thermoreaktor (41) eng mit den Auslassen des Zylinderkopfes verbunden ist.
1Oo Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9»dadurch gekennzeichnet, daß der Vergaser ein Doppelvergaser ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Maschine (10) eine benzingespeiste Brennkraftmaschine ist.

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